环境扫描电子显微镜的工作原理和操作维护

张慧蓉 于巧丽 田 鹏 王保民 徐倩倩 马凌珂 吴斯洋＊ 张建伟

（1.中国农业科学院郑州果树研究所科研与产业管理处，郑州450009；2.河南科技学院实验中心，新乡453003）

20世纪60年代，扫描电子显微镜（Scanning electrical micorscope，简称SEM）作为一种新型的电子光学仪器迅速发展起来。随着电子显微镜逐步向复合型、多元化发展，第一台环境扫描电子显微镜于1990年由美国Electro Scan公司研发面世，因其可以对非处理样品进行直接观察，使显微研究进入到一个崭新阶段。目前，按照电子枪种类的不同，可分为钨丝枪、六硼化镧、场发射电子枪（热场和冷场）［1］。其中，钨丝枪环境扫描电子显微镜是一种最常见的类型，它不仅适合对导电性良好或喷镀金、铂、碳粉的固体材料进行形貌观察，而且可以直接观察导电性差的样品形貌、或在不破坏形貌的情况下结合能谱仪进行样品的元素定性定量分析等深入研究［2］。另外，环境扫描电子显微镜还具有普通扫描电子显微镜的显著特点：放大倍数可调范围宽、图像分辨率高和景深大等，现已被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造等各个研究领域［3，4］。

1 扫描电子显微镜的基本原理［5］

电子显微镜的基本原理：当高能电子束轰击物质表面，激发出一系列电子信号，如二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子等。这些信号可以反映出被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等。扫描电子显微镜正是利用对二次电子、背散射电子的采集，得到样品微观形貌和样品组分定性方面的信息；特征x射线的信号可以反映出样品物质化学成分的信息。

2007年7月，笔者曾经所在单位——河南科技学院实验中心购置了一台QUANTA 200型环境扫描电子显微镜，从多年的运行情况来看，使用状况良好。现以该型号为例，通过笔者几年来的工作认识“抛砖引玉”，对其原理、组成、使用方法和日常维护作一介绍。

2 环境扫描电子显微镜的组成和工作原理［6－8］

2.1 组成部分

环境扫描电子显微镜与普通扫描电子显微镜的构造大体相同，是由真空系统、电子光学系统以及信号收集和成象系统等三部分组成（图1）。

图1 扫描电子显微镜结构示意图

2.1.1 真空系统

真空系统主要包括真空泵和镜筒两部分。因仪器工作时整个系统必须处于特定的真空环境中，这样能保证灯丝不会迅速氧化，其次可以增加成象电子数目。

镜筒是一个密封的柱形容器，真空泵用来在镜筒内产生真空。它由机械泵和涡轮分子泵两部分组成，成象系统和电子束系统均内置在镜筒中。镜筒底端为样品室，用于放置样品。

2.1.2 电子光学系统

电子束系统由电子枪、电磁透镜和样品室等部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。

电子枪：钨灯作为灯源，其作用是产生电子，平均寿命约50～80小时左右，价格便宜，常作为扫描电镜标准配置。

电磁透镜：通常包含会聚透镜和物镜两组。其作用为会聚电子束并聚焦到样品上。它装配在镜筒中，位于电子枪之下。

2.1.3 信号收集和成象系统

高能电子束与样品间作用产生的一系列电子信号，分别被相应的探测器检测，如二次电子探测器、背散射电子探测器和X射线能谱探头，以区分并获得样品的形貌和成分等信息。

2.2 工作原理

环境扫描电子显微镜（ESEM）与传统扫描电子显微镜（SEM）最显著的不同在于，前者样品室的真空度远比后者低（约2600pa），更接近于环境大气压，顾名思义为环境扫描电子显微镜。这一技术的应用极大拓宽了样品种类的观察范围，传统扫描电子显微镜只适用于干燥且导电性好的样品，而环境扫描电子显微镜是在传统扫描电子显微镜基础上，又新增了对含水量较多及不导电等样品观察的功能。实验中心配备的这台QUANTA 200型环境扫描电子显微镜，其真空模式除了常规的高真空外，还有低真空和环境真空两种模式，本文分别对这3种模式逐一展开介绍。

2.2.1 高真空模式中样品特征信号的产生和收集

整个系统处于高真空的工作状态：由电子枪（钨灯丝）发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在高压（一般为20kV）加速电压作用下，经过2～3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一根细的电子探针（直径一般为10nm或更小）聚焦在样品表面。该探针在扫描线圈的作用下在样品表面做XY方向的扫描运动，与样品物质的交互作用产生的二次电子信号被网栅状ED（electron detector）探测器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于电子束的运动和荧光屏显像管成像是由同一扫描线圈发生器控制的，即电子束打到样品上的物点和荧光屏呈现的像点是实时一一对应的。通过这样逐点逐行成像的方法，就把样品二次电子象转换为视频信号，从而观察到样品实时的形貌图像。

2.2.2 低真空模式中特征信号的产生和收集

低真空与高真空的不同之处在于，前者的样品室处于低真空，而电子枪和镜筒部分仍处于高真空。这是因为在镜筒和样品室的连接点——极靴处增加了一个压差光阑，它不仅起到隔绝镜筒和样品室间真空的作用，还具有保证电子束在高真空状态下的质量、保护电子枪和镜筒等组成元件不受水蒸气腐蚀的作用。电子枪和镜筒的高真空依靠机械泵和分子涡轮泵控制，而样品室的压力则依靠调节外接水蒸气的浓度，在10～130pa间自由切换。

低真空模式下所用的电子探头是LFD（large field detector）探头，它与高真空探头ED的作用稍显不同。具体工作原理：高能电子束轰击样品表面激发出的二次电子，与样品室内的水蒸气发生碰撞后将其电离，这些被电离的离子继续与其他水蒸气发生碰撞，周而反复，由二次电子及继发的环境离子数呈指数上升趋势。这样，在LFD探头外加正电场的作用下，这些二次电子及被环境放大的负离子被探头吸引，样品表面形貌的特征信号随即被收集。而被电离的正离子则飞向样品表面中和堆积的一部分负电，这样有效的降低了样品表面观察时电荷积累的放电现象。简而言之，高真空收集的信号是样品表面被激发的二次电子，而低真空则主要是由二次电子及水蒸气负离子，低真空模式狭缝示意图见图2。

图2 低真空模式狭缝示意图

2.2.3 环境真空模式中特征信号的产生和收集

环境真空相比于低真空，是在后者基础上又增加了一级压差光阑，即在物镜下方和环扫探头的插口连接处装有类似纽扣状的光阑，这一整体便是GSED探头。该探头作用有二：一是隔绝样品室和镜筒间的真空，二是收集样品的电子信号。

使用该模式时，电镜部分的真空可分为三段：电子枪和镜筒处于高真空，物镜下方和纽扣状光阑间为低真空，样品室内为环境真空。环境真空信号的产生和收集与低真空模式相似，只是由于观察对象的导电性更差或含水量较高，二次电子信号较弱，需要通过选择更小的工作距离来增加信号强度，即需要缩短样品和探头间的距离，一般为8mm或更小。同时为了避免样品表面积累电荷而导致放电现象、影响观察效果，需要将高压调整到10～15kV。另外，在观察含水量较高的生物样品时，失水变形严重，还需要使用冷台（俗称“金腰带”）并结合调整样品室压力，使样品水分处于临界状态（水既不融化也不挥发），这样可以维持相对稳定的样品形貌，便于观察（图3、图4）。

图3 环境真空模式狭缝示意图

图4 环境真空模式探测头示意图

3 环境扫描电子显微镜的操作规程

QUANTA 200环境扫描电子显微镜具有3种真空模式：高真空（＜10－3pa）、低真空（10～130pa）和环境真空（130～2600pa），分别适用于导电材料（如金、银、铜等）、半导体和较干燥不易变形的不导电材料（纳米硅胶球、电池粉末、花粉和动物内脏等）和含水量较高的不导电材料（如植物幼嫩组织的根、茎尖和菌丝等）。

3.1 开机

依次打开稳压电源、电脑和仪器主机，输入用户名和密码。

3.2 测试

打开样品舱门，放入需测试的样品，高度尺测量样品高度，一般不要超过10mm刻度线；

关闭样品舱门，推紧样品室门，点击“Pump”键开始抽真空；

当真空信号指示灯变绿，加高压，选择合适的高压及束斑；

倍数由小到大聚焦清晰后，点击“Link Z to FWD”图标，将Z值改为10mm固定最佳工作距离（WD）；

选择合适的对比度和亮度，反复聚焦及消像散（3000倍以上时），当图像调节清楚后，选择适当的扫描速度和分辨率，按“Pause”将图像保存；

3.3 关机

使用完毕，先关闭高压，然后按“Vent”，待真空指示标志变成灰色后打开样品室取出样品，并用洗耳球吹扫舱内残留粉末；

关闭舱门点击“Pump”开始抽真空；

连续超过一周不用时，依次关闭软件、仪器主机、电脑、稳压电源；

在使用低真空或环境真空时，只需安装相应的探测器即可。

4 操作和维护方面的注意事项

QUANTA 200型环境扫描电子显微镜是集电子、显微和真空技术于一体的大型精密仪器，其价格昂贵，在使用过程中必须注重操作细节和日常维护管理等方面的工作。

4.1 操作的注意事项

每次观察完毕，用干净的洗耳球吹扫样品腔体，防止粉尘污染探头和物镜；

放入样品关闭舱门前，保证样品高度不会触及污染物镜；

更换样品时，必须待彻底放气结束后，听到“嗒”一声，方可缓慢拉开舱门，切忌用力过猛；

长时间观察完毕，必须先将灯丝熄灭，2min冷却后方可放气，防止热灯丝遇空气急速氧化，影响寿命；

采用低真空和环境真空模式，务必确保EB阀门打开；

在高、低真空切换前，务必保证灯丝熄灭且冷却，防止灯丝烧断；

长时间不用时，最好保持开机抽高真空的状态，保证整个系统洁净，保证图像质量。

4.2 维护的注意事项

管理员必须严格按照操作规程使用，避免因使用不当造成损坏；普通用户必须接受岗前培训，考核合格者后方可在管理人员的指导下上机操作；

为保持良好的工作状态、延长使用寿命，工作环境应保持清洁、干燥、远离辐射源；操作人员必须穿拖鞋和工作服；每次使用完毕，及时清洁样品台等容易污染的部件；

大型仪器室要安装空调、抽湿机和空气净化器。常年保持环境温度恒定在22℃左右；

定期更换机械泵油、检查外接水瓶和更换灯丝，保证仪器处于最佳工作状态；

常用的说明书光盘、零配件及专用工具由专人负责保管。

5 结论

环境扫描电子显微镜这种大型高端精密仪器，只有在充分了解其组成和工作原理的基础上，通过严格操作规程，重视日常维护管理，加强不同类型样品观察条件的试验和摸索等途径，才能不断提高使用率和开发仪器潜在功能，从而有利于大型精密仪器运转的良性循环。

［1］陈木子，高伟建，张勇，冯善娥.浅谈扫描电子显微镜的结构及维护［J］.分析仪器，2013，（4）：91－93.

［2］郑春明，周巧琴，蔡传荣.环境扫描电子显微镜的成像特点［J］.福建分析测试，2003，12（1）：1719－1721.

［3］盛克平，丁听生，王虎，游俊富.环境扫描电子显微镜的特性及应用概况［J］.理化检验－物理分册，2003，39（9）：470－473.

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